JP3221089B2 - pnCdTe/CdS薄膜太陽電池の製造方法 - Google Patents
pnCdTe/CdS薄膜太陽電池の製造方法Info
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Description
【0001】
【従来の技術】本発明は多結晶pnCdTe/CdS薄
膜太陽電池の製造方法に係り、特に安価な大量生産を可
能ならしめる方法に関する。その好都合な1.45eV
のエネルギギャップの故に、CdTeは太陽電池に対す
るフォトアクティブ材として理想的に適する。更に数μ
m厚の多結晶層が様々な方法(物理的または化学的な真
空中の蒸発または昇華、電解析出、スクリーン印刷、ス
プレー法)で製造され得、一般に電子特性の向上のため
に化学的熱的後処理を受ける(R.W.バークマイア
他、Proc.多結晶薄膜プログラムミーティング、米
国、コロラド、レイクウッド、(1989年)77−8
4)。これらの二つの特徴によりCdTeは安価な薄膜
太陽電池のための最も興味深い候補の一つである。
膜太陽電池の製造方法に係り、特に安価な大量生産を可
能ならしめる方法に関する。その好都合な1.45eV
のエネルギギャップの故に、CdTeは太陽電池に対す
るフォトアクティブ材として理想的に適する。更に数μ
m厚の多結晶層が様々な方法(物理的または化学的な真
空中の蒸発または昇華、電解析出、スクリーン印刷、ス
プレー法)で製造され得、一般に電子特性の向上のため
に化学的熱的後処理を受ける(R.W.バークマイア
他、Proc.多結晶薄膜プログラムミーティング、米
国、コロラド、レイクウッド、(1989年)77−8
4)。これらの二つの特徴によりCdTeは安価な薄膜
太陽電池のための最も興味深い候補の一つである。
【0002】CdTeは最初は1960年頃に薄膜太陽
電池で使用された。70年代の最後にはこのような太陽
電池の略9%の効率が報告された。例えば米国特許第4
207 119号(ユアン シェン ティアン、19
80年)は酸素をドープ剤として電池のCdSおよびC
dTe双方の半導体層に用いたCdS/CdTe太陽電
池を開示している。CdTe源の酸素が容易に蒸着室で
非常に高い酸素の集中を引き起こし、それによって蒸着
処理が悪影響を受け中断されることさえあるために、層
の製造中に酸素を使用することには欠点がある。更に多
結晶CdTe層が蒸着された基板の温度が少なくとも5
75°Cであり高価な耐温度ガラス基板が使用される
(650乃至700°Cの軟化温度を用いる)。575
°Cの基板温度以下で達成可能な効率のかなりの低下が
観測される。したがってCdTe層は、実験的に、その
時の得られる効率は4%以下となるが、酸素を含む雰囲
気で500°C迄の低温で蒸着される。追加的に引き続
く酸素の後処理による1乃至2%だけ効率が増加する可
能性も提案された。これによれば500°Cで最大6%
の値しか得られなかった。またCdTe層と対照的に酸
素無しのCdS層の蒸着も試みられた。しかしこの試み
ではCdS層はまた、8.9%までの効率を575°C
以上の基板温度で達成しうるために、酸素を含む雰囲気
で蒸着されなければならなかった。行われた実験におい
て、0.5μm厚のCdTe層は2分で蒸着された。物
理的理由から必要とされる約2乃至3μmの最小厚に対
しては、略10分が既に蒸着のために必要とされる。
電池で使用された。70年代の最後にはこのような太陽
電池の略9%の効率が報告された。例えば米国特許第4
207 119号(ユアン シェン ティアン、19
80年)は酸素をドープ剤として電池のCdSおよびC
dTe双方の半導体層に用いたCdS/CdTe太陽電
池を開示している。CdTe源の酸素が容易に蒸着室で
非常に高い酸素の集中を引き起こし、それによって蒸着
処理が悪影響を受け中断されることさえあるために、層
の製造中に酸素を使用することには欠点がある。更に多
結晶CdTe層が蒸着された基板の温度が少なくとも5
75°Cであり高価な耐温度ガラス基板が使用される
(650乃至700°Cの軟化温度を用いる)。575
°Cの基板温度以下で達成可能な効率のかなりの低下が
観測される。したがってCdTe層は、実験的に、その
時の得られる効率は4%以下となるが、酸素を含む雰囲
気で500°C迄の低温で蒸着される。追加的に引き続
く酸素の後処理による1乃至2%だけ効率が増加する可
能性も提案された。これによれば500°Cで最大6%
の値しか得られなかった。またCdTe層と対照的に酸
素無しのCdS層の蒸着も試みられた。しかしこの試み
ではCdS層はまた、8.9%までの効率を575°C
以上の基板温度で達成しうるために、酸素を含む雰囲気
で蒸着されなければならなかった。行われた実験におい
て、0.5μm厚のCdTe層は2分で蒸着された。物
理的理由から必要とされる約2乃至3μmの最小厚に対
しては、略10分が既に蒸着のために必要とされる。
【0003】米国特許第4 650 921号(キム
W.ミッチェル、1987年)では、pnCdTe/S
nO2 薄膜太陽電池が記述されており、そこでは多結晶
CdTe層がまた高基板温度(600−650°C)で
蒸着され、これによって通常の高価な耐温度ガラス基板
も使用される。CdTd源は最初600°Cまで加熱さ
れ、この温度が達成されると予め450°Cに加熱され
た基板は急速に650°Cまでに加熱される。CSVT
(閉空間蒸気移送)法で略10μm厚のCdTe層を得
るためのCdTe蒸着速度は非常に小さく蒸着は略20
分間なされなければならない。
W.ミッチェル、1987年)では、pnCdTe/S
nO2 薄膜太陽電池が記述されており、そこでは多結晶
CdTe層がまた高基板温度(600−650°C)で
蒸着され、これによって通常の高価な耐温度ガラス基板
も使用される。CdTd源は最初600°Cまで加熱さ
れ、この温度が達成されると予め450°Cに加熱され
た基板は急速に650°Cまでに加熱される。CSVT
(閉空間蒸気移送)法で略10μm厚のCdTe層を得
るためのCdTe蒸着速度は非常に小さく蒸着は略20
分間なされなければならない。
【0004】これらの真空補助蒸着法と同様に、多結晶
CdTe層の製造に関し、スクリーン印刷(例えば、
S.イケガミ、太陽電池、23、(1988年)10
5)またはスプレー法(例えば、J.F.ジョーダン、
太陽電池、23、(1988年)107−113)と同
様に、電解法は80年代に記述された(例えば、B.
M.バソル、太陽電池、23(1988年)69−8
8;V.ラマナサン他、Proc.第8回光起電力太陽
エネルギー会議、ラスベガス、(1988年)1417
−1421)。
CdTe層の製造に関し、スクリーン印刷(例えば、
S.イケガミ、太陽電池、23、(1988年)10
5)またはスプレー法(例えば、J.F.ジョーダン、
太陽電池、23、(1988年)107−113)と同
様に、電解法は80年代に記述された(例えば、B.
M.バソル、太陽電池、23(1988年)69−8
8;V.ラマナサン他、Proc.第8回光起電力太陽
エネルギー会議、ラスベガス、(1988年)1417
−1421)。
【0005】電解析出はCdSO4 およびTe2 O3 の
水溶液で略90°Cの温度で行なわれる。成長するCd
Te層の化学量論的組成における変動を防ぐためには略
1μm/時のみの非常に小さい、従って非経済的な析出
速度に執着する必要がある。スクリーン印刷法において
は、CdおよびTe粉末の懸濁液が基板に印加され材料
を非常に使用して略30μmの比較的厚い層に焼結さ
れ、それによってCdおよびTeが反応してCdTeに
なる。700°C以上の高温がここでも要求され、これ
は高価な基板の使用を必要とする。
水溶液で略90°Cの温度で行なわれる。成長するCd
Te層の化学量論的組成における変動を防ぐためには略
1μm/時のみの非常に小さい、従って非経済的な析出
速度に執着する必要がある。スクリーン印刷法において
は、CdおよびTe粉末の懸濁液が基板に印加され材料
を非常に使用して略30μmの比較的厚い層に焼結さ
れ、それによってCdおよびTeが反応してCdTeに
なる。700°C以上の高温がここでも要求され、これ
は高価な基板の使用を必要とする。
【0006】スプレー法においては、微細な小滴の煙霧
質の形態でのCdおよびTeを含む混合物の水溶液が略
400°Cに加熱された基板にスプレーされる。成長す
るCdTe層は著しく多孔性になる傾向があり、それに
よって層の必要な不浸透性を確保するために比較的厚い
層が作られなければならない。非経済的な材料の非常な
使用が再び必要となる。更にスプレーされた溶液のかな
りの損失がこの方法では本質的であり、これは微細な煙
霧質として全反応室を充たし、壁および排気を介して失
われ、これによってCdおよびTeの混合物の適当な材
料の歩どまりが達成され得る。化学的熱的後処理がスプ
レー法では特に重要であることがわかる。
質の形態でのCdおよびTeを含む混合物の水溶液が略
400°Cに加熱された基板にスプレーされる。成長す
るCdTe層は著しく多孔性になる傾向があり、それに
よって層の必要な不浸透性を確保するために比較的厚い
層が作られなければならない。非経済的な材料の非常な
使用が再び必要となる。更にスプレーされた溶液のかな
りの損失がこの方法では本質的であり、これは微細な煙
霧質として全反応室を充たし、壁および排気を介して失
われ、これによってCdおよびTeの混合物の適当な材
料の歩どまりが達成され得る。化学的熱的後処理がスプ
レー法では特に重要であることがわかる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は従ってpnC
dTe薄膜太陽電池の製造の改良された方法の提供の問
題点に基づいていおり、これは特に安価な大量生産に特
に適しており良好な太陽電池の製造を可能ならしめる。
dTe薄膜太陽電池の製造の改良された方法の提供の問
題点に基づいていおり、これは特に安価な大量生産に特
に適しており良好な太陽電池の製造を可能ならしめる。
【0008】
【課題を解決するための手段】特許請求の範囲第1項に
記載の本発明によるこの問題の解決は、約10%の特に
それ以上の効率を有する太陽電池を製造し得るために必
要と考えられてきたこれまでの高基板温度から完全に離
脱することを含む。かくて、発明者は、驚くべきこと
に、TCO層およびCdS層が設けられた透明基板の温
度をCdTeコーティングの前に略520°C以下及び
略480°C以上の温度に至らしめこの温度がまた引き
続くコーティング中維持されることに注意すれば、特許
請求の範囲第1項の前特徴部分によって高効率を有する
満足すべき太陽電池の製造が可能であることを確かめ
た。これにおいてCdTe層は安定して不活性気体雰囲
気中で蒸着される。この技術の状態における無酸素処理
において、600°Cおよびそれ以上の基板温度が普遍
的に使用された。
記載の本発明によるこの問題の解決は、約10%の特に
それ以上の効率を有する太陽電池を製造し得るために必
要と考えられてきたこれまでの高基板温度から完全に離
脱することを含む。かくて、発明者は、驚くべきこと
に、TCO層およびCdS層が設けられた透明基板の温
度をCdTeコーティングの前に略520°C以下及び
略480°C以上の温度に至らしめこの温度がまた引き
続くコーティング中維持されることに注意すれば、特許
請求の範囲第1項の前特徴部分によって高効率を有する
満足すべき太陽電池の製造が可能であることを確かめ
た。これにおいてCdTe層は安定して不活性気体雰囲
気中で蒸着される。この技術の状態における無酸素処理
において、600°Cおよびそれ以上の基板温度が普遍
的に使用された。
【0009】安価なソーダ石灰ガラス(窓ガラス)が基
板材料として使用可能であり、全ての試した実施例にお
いて10%以上の高い効率を有する太陽電池が得られる
ことが更に判った。これは、コストの実質的低下が大量
生産の製品の使用の範囲を拡げる故、かなりの技術的進
歩を示す。この種の太陽電池が窓ガラスを用いて製造で
き、機能的であるばかりでなく厳格に使用することがで
きることはこれ迄考えられなかった。
板材料として使用可能であり、全ての試した実施例にお
いて10%以上の高い効率を有する太陽電池が得られる
ことが更に判った。これは、コストの実質的低下が大量
生産の製品の使用の範囲を拡げる故、かなりの技術的進
歩を示す。この種の太陽電池が窓ガラスを用いて製造で
き、機能的であるばかりでなく厳格に使用することがで
きることはこれ迄考えられなかった。
【0010】更に、基板のこのような温度制御を用いて
5乃至15μm/分の高CdTe蒸着速度での作業が可
能であり、それによってCdTe層の成長が所望の(フ
ォト)電子特性の達成に好都合な温度での開始からすぐ
行なわれ、それによって電池の良好な効率が同様に得ら
れ得ることが更に判った。このような高蒸着速度はこれ
まで、酸素中でも不活性気体中でも不可能であった。
5乃至15μm/分の高CdTe蒸着速度での作業が可
能であり、それによってCdTe層の成長が所望の(フ
ォト)電子特性の達成に好都合な温度での開始からすぐ
行なわれ、それによって電池の良好な効率が同様に得ら
れ得ることが更に判った。このような高蒸着速度はこれ
まで、酸素中でも不活性気体中でも不可能であった。
【0011】次のごとくに本発明に従って進めることが
好ましい。安価な普通のソーダ石灰ガラス(「窓ガラ
ス」)が透明基板で使用され、透明な導電性のTCO
(透明導電酸化物)層でコーティングされる。(これは
例えば適当なドープされたすず酸化物層、例えばITO
または変更されたITO層よりなる)。TCO層はまた
太陽電池の電気的前部接点を形成する。薄いCdS層
(厚さ80乃至120nm、好ましくは100nm)が
そこで高真空で蒸発され、下記に示すごとき方法でドー
ピングが達成される。
好ましい。安価な普通のソーダ石灰ガラス(「窓ガラ
ス」)が透明基板で使用され、透明な導電性のTCO
(透明導電酸化物)層でコーティングされる。(これは
例えば適当なドープされたすず酸化物層、例えばITO
または変更されたITO層よりなる)。TCO層はまた
太陽電池の電気的前部接点を形成する。薄いCdS層
(厚さ80乃至120nm、好ましくは100nm)が
そこで高真空で蒸発され、下記に示すごとき方法でドー
ピングが達成される。
【0012】小距離(CSS)法(閉空間昇華)によ
り、フォトアクティブCdTe層の蒸着が直接CdS層
になされる。CdS層を担持する基板はこのために安定
した加熱処理で、好ましくは3分で480乃至500°
C、好ましくは500°Cの温度に至らしめられる。T
CO層はCdS層に保護されるため、この短い加熱段階
の過程で悪影響を受けない。この時間中CdTe源は未
だ感知できる程のCdTeの昇華が起こらない温度に達
する。基板温度が(例えば3分後)480乃至520°
C、好ましくは500°Cに至った時にのみ、CdTe
源が略1分で5乃至15μm/分、好ましくは10μm
/分のCdTe蒸着速度が達成されるような温度(例え
ば700乃至略770°C、好ましくは740°C)に
され、それによって5乃至10μm厚の必要なCdTe
層が略1分の短時間で形成され得る。
り、フォトアクティブCdTe層の蒸着が直接CdS層
になされる。CdS層を担持する基板はこのために安定
した加熱処理で、好ましくは3分で480乃至500°
C、好ましくは500°Cの温度に至らしめられる。T
CO層はCdS層に保護されるため、この短い加熱段階
の過程で悪影響を受けない。この時間中CdTe源は未
だ感知できる程のCdTeの昇華が起こらない温度に達
する。基板温度が(例えば3分後)480乃至520°
C、好ましくは500°Cに至った時にのみ、CdTe
源が略1分で5乃至15μm/分、好ましくは10μm
/分のCdTe蒸着速度が達成されるような温度(例え
ば700乃至略770°C、好ましくは740°C)に
され、それによって5乃至10μm厚の必要なCdTe
層が略1分の短時間で形成され得る。
【0013】CdTe蒸着中、略0.1mbarの窒素
(または同様なヘリウム、アルゴン、または水素等の不
活性気体)が、反応室の様々な接続を介したダイナミッ
クバランスをもって、ポンプによって排出されるにつれ
同量の気体が供給されるよう反応室(石英管)で維持さ
れる。そこからCdS層に蒸着されるべき材料が昇華す
るCdTe源は基板表面からほんの略2乃至3mmの小
さい距離に置かれることが好ましい。この基板とCdT
e源との間の小さい距離の故に、それらが直接対向する
のと同様に、CdTe開始材料が略100%使用され
る。更に本発明により可能なCdTe層の小さい厚さは
高価な半導体材料を安価に取扱うことに貢献する。この
方法の過程において短い蒸着時間も安価にするのに作用
する。
(または同様なヘリウム、アルゴン、または水素等の不
活性気体)が、反応室の様々な接続を介したダイナミッ
クバランスをもって、ポンプによって排出されるにつれ
同量の気体が供給されるよう反応室(石英管)で維持さ
れる。そこからCdS層に蒸着されるべき材料が昇華す
るCdTe源は基板表面からほんの略2乃至3mmの小
さい距離に置かれることが好ましい。この基板とCdT
e源との間の小さい距離の故に、それらが直接対向する
のと同様に、CdTe開始材料が略100%使用され
る。更に本発明により可能なCdTe層の小さい厚さは
高価な半導体材料を安価に取扱うことに貢献する。この
方法の過程において短い蒸着時間も安価にするのに作用
する。
【0014】上記CdTe蒸着中、基板とCdTe源は
対向する黒鉛ブロックに保持されることが好ましく、そ
れは加熱要素(例えばハロゲンランプ)によって、所望
の温度を生成するために加熱される。後者は適当な手動
またはコンピュータ制御による加熱要素の加熱負荷の調
整によって調節される。CdTe蒸着の最後に実行され
るCdCl2 焼き戻しはそれ自体は知られている。
対向する黒鉛ブロックに保持されることが好ましく、そ
れは加熱要素(例えばハロゲンランプ)によって、所望
の温度を生成するために加熱される。後者は適当な手動
またはコンピュータ制御による加熱要素の加熱負荷の調
整によって調節される。CdTe蒸着の最後に実行され
るCdCl2 焼き戻しはそれ自体は知られている。
【0015】特許請求の範囲第10項記載の発明による
方法の更なる展開を以下説明する。これはまた大量生産
の方法にかなり貢献し、CdS層のドーピングの方法が
実質的に容易となる。またこの方法により完成した太陽
電池の効率の増加が可能である。最後に、公知の臨界酸
素ドーピングとの対照においてCdTe源が酸素によっ
て高圧でのCdTeコーティング中に危うくされること
無く作業することが可能である。
方法の更なる展開を以下説明する。これはまた大量生産
の方法にかなり貢献し、CdS層のドーピングの方法が
実質的に容易となる。またこの方法により完成した太陽
電池の効率の増加が可能である。最後に、公知の臨界酸
素ドーピングとの対照においてCdTe源が酸素によっ
て高圧でのCdTeコーティング中に危うくされること
無く作業することが可能である。
【0016】0.1S/cmの大きさのオーダーの高い
導電性を有するn型CdSを使用することは、pnCd
Te/CdS薄膜太陽電池の良好な効率を得るために有
益である。略150°Cで製造されたCdS層はこの条
件を良く満足する一方、CdTe蒸着でのごとくの熱的
処理を受けたCdS層は、10-5S/cm以下の非常に
小さい導電性を示す。CdSの導電性に対し0.1S/
cmの大きさの所望のオーダーを得るために、CdTe
蒸着の熱的応力の後であっても、CdS層が上記の方法
で形成される前に略0.1乃至0.5nm、好ましくは
0.2nmの厚の極く薄いインジウム層が、高真空で略
25°CでTCO層に形成される。このインジウム層の
厚さは、好ましくは480乃至520°C間にある所定
の基板温度でのCdTe蒸着中の、インジウムのCdS
層への拡散が、導電値が0.1S/cmの大きさの所望
のオーダーにあるようなCdSのn型ドーピングを形成
するように選択される。CdS層の必要な所望のn型ド
ーピングはかくてCdTeの蒸着中追加的費用を要する
ことなく安価になされる。たとえCdS層のインジウム
ドーピングが無くとも、特許請求の範囲第1項記載の方
法に従えば、略10%及びそれ以上の効率が得られる。
導電性を有するn型CdSを使用することは、pnCd
Te/CdS薄膜太陽電池の良好な効率を得るために有
益である。略150°Cで製造されたCdS層はこの条
件を良く満足する一方、CdTe蒸着でのごとくの熱的
処理を受けたCdS層は、10-5S/cm以下の非常に
小さい導電性を示す。CdSの導電性に対し0.1S/
cmの大きさの所望のオーダーを得るために、CdTe
蒸着の熱的応力の後であっても、CdS層が上記の方法
で形成される前に略0.1乃至0.5nm、好ましくは
0.2nmの厚の極く薄いインジウム層が、高真空で略
25°CでTCO層に形成される。このインジウム層の
厚さは、好ましくは480乃至520°C間にある所定
の基板温度でのCdTe蒸着中の、インジウムのCdS
層への拡散が、導電値が0.1S/cmの大きさの所望
のオーダーにあるようなCdSのn型ドーピングを形成
するように選択される。CdS層の必要な所望のn型ド
ーピングはかくてCdTeの蒸着中追加的費用を要する
ことなく安価になされる。たとえCdS層のインジウム
ドーピングが無くとも、特許請求の範囲第1項記載の方
法に従えば、略10%及びそれ以上の効率が得られる。
【0017】通例のCdCl2 焼き戻し(R.W.バー
マイア他、Proc.多結晶薄膜プログラムミーティ
グ、米国、コロラド、レイクウッド、(1989年)7
7−84)の後、略5乃至10nmの厚さの金層が後部
接点としてCdTe層に蒸着される。直列抵抗を防ぐた
めに、金層は安価な金属(例えばアルミニウム)(略1
00乃至200nm)に蒸着されるかまたは導電性のペ
ーストで塗布され、光電流の流れに必要な導電性にまで
引き上げられることが好ましい。
マイア他、Proc.多結晶薄膜プログラムミーティ
グ、米国、コロラド、レイクウッド、(1989年)7
7−84)の後、略5乃至10nmの厚さの金層が後部
接点としてCdTe層に蒸着される。直列抵抗を防ぐた
めに、金層は安価な金属(例えばアルミニウム)(略1
00乃至200nm)に蒸着されるかまたは導電性のペ
ーストで塗布され、光電流の流れに必要な導電性にまで
引き上げられることが好ましい。
【0018】太陽電池の照射は透明ガラス基板を介して
なされる。本発明によるCdS層の特別なドーピングの
特徴は本発明による他の特徴と組み合わされることが好
ましい。従って、本発明によって制御される基板温度を
用いて、CdS層とインジウム層との混合が良好に達成
される。同様な可能な高蒸着速度との組み合せにおい
て、この方法の効率とその大量生産に対する適性は更に
改良される。
なされる。本発明によるCdS層の特別なドーピングの
特徴は本発明による他の特徴と組み合わされることが好
ましい。従って、本発明によって制御される基板温度を
用いて、CdS層とインジウム層との混合が良好に達成
される。同様な可能な高蒸着速度との組み合せにおい
て、この方法の効率とその大量生産に対する適性は更に
改良される。
【0019】
【実施例】以下図面と共に本発明を説明する。図1は本
発明による方法の好ましい実施例によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池1の概略断面を示す。
透明基板20はソーダ石灰ガラス(「窓ガラス」)より
なり透明な導電性のTCO層18でコーティングされて
いる。極く薄いインジウム層16およびCd/S層14
(例えば0.10μm厚)が続く。続くフォトアクティ
ブCdTe層12(略5μm厚、しかし全体として厚さ
は電池に対して厳密ではなく2乃至3μm以上であるこ
とが好ましい)が前記説明に従ってCdS層上に蒸着さ
れる。更に説明したごとく、層16および14が混合し
てインジウム層16がインジウム原子の拡散によって層
14に溶解しもはや完成された太陽電池1におけるよう
に同一視することが出来ない。CdS層は従って製造後
に拡散された形態でインジウム層16のインジウム原子
を所望の必要なn型ドーピングとして含む。
発明による方法の好ましい実施例によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池1の概略断面を示す。
透明基板20はソーダ石灰ガラス(「窓ガラス」)より
なり透明な導電性のTCO層18でコーティングされて
いる。極く薄いインジウム層16およびCd/S層14
(例えば0.10μm厚)が続く。続くフォトアクティ
ブCdTe層12(略5μm厚、しかし全体として厚さ
は電池に対して厳密ではなく2乃至3μm以上であるこ
とが好ましい)が前記説明に従ってCdS層上に蒸着さ
れる。更に説明したごとく、層16および14が混合し
てインジウム層16がインジウム原子の拡散によって層
14に溶解しもはや完成された太陽電池1におけるよう
に同一視することが出来ない。CdS層は従って製造後
に拡散された形態でインジウム層16のインジウム原子
を所望の必要なn型ドーピングとして含む。
【0020】CdTe層12の蒸着と同時になされるこ
のCdS層のn型ドーピングはこの方法の安価な大量生
産への適性の改良と、同様に高効率を有する太陽電池の
形成とに関する更なる進歩を示す。好ましくは0.1乃
至0.5nm厚で好ましくは略25゜Cで高真空で蒸発
されたインジウム層16は、それ故CdTe蒸着の前の
段階までは同一視しうるものである。
のCdS層のn型ドーピングはこの方法の安価な大量生
産への適性の改良と、同様に高効率を有する太陽電池の
形成とに関する更なる進歩を示す。好ましくは0.1乃
至0.5nm厚で好ましくは略25゜Cで高真空で蒸発
されたインジウム層16は、それ故CdTe蒸着の前の
段階までは同一視しうるものである。
【0021】CdTe蒸着完了後、CdCl2 焼き戻し
後に太陽電池1の後部接点として機能する導電性金属接
点10のCdTe層12上への形成が続く。TCO層1
8は太陽電池1の前部接点として機能する。太陽電池1
の照射はガラス基板20およびTCO層18を介してな
される。CdTe蒸着方法はまた特に重要である。図2
では使用されることが好ましい反応室が、同様に略断面
で示されている。これは石英リアクタ34および黒鉛ブ
ロック26および28、更に黒鉛ブロック26および2
8が加熱される加熱要素22および24(例えばハロゲ
ンランプ)とよりなる。図2において要素30として示
されているインジウム層16およびCdS層15と同様
TCO層18を有するガラス基板20は上部黒鉛ブロッ
ク26に付着され、ガラス基板は黒鉛ブロックに対して
存在しCdS層14はCdTe源に対して向けられる。
CdTe源32は、例えば多結晶ディスクの形で、下部
黒鉛ブロック28上に位置される。多結晶ディスクの代
わりに圧縮されたCdTe粉末のブランクまたはCdT
e粉末を有するデバイスが明らかにCdTe源32とし
て使用され得る。
後に太陽電池1の後部接点として機能する導電性金属接
点10のCdTe層12上への形成が続く。TCO層1
8は太陽電池1の前部接点として機能する。太陽電池1
の照射はガラス基板20およびTCO層18を介してな
される。CdTe蒸着方法はまた特に重要である。図2
では使用されることが好ましい反応室が、同様に略断面
で示されている。これは石英リアクタ34および黒鉛ブ
ロック26および28、更に黒鉛ブロック26および2
8が加熱される加熱要素22および24(例えばハロゲ
ンランプ)とよりなる。図2において要素30として示
されているインジウム層16およびCdS層15と同様
TCO層18を有するガラス基板20は上部黒鉛ブロッ
ク26に付着され、ガラス基板は黒鉛ブロックに対して
存在しCdS層14はCdTe源に対して向けられる。
CdTe源32は、例えば多結晶ディスクの形で、下部
黒鉛ブロック28上に位置される。多結晶ディスクの代
わりに圧縮されたCdTe粉末のブランクまたはCdT
e粉末を有するデバイスが明らかにCdTe源32とし
て使用され得る。
【0022】CdTe蒸着は反応室34内で、既に特に
上記で説明した手順によって行なわれ、要素30および
CdTe源32の温度の時間に関する変化がCdS層を
含む要素30が480−520゜C、好ましくは500
゜Cの温度迄、安定した加熱処理(中断が無い)で、例
えば3分で引き上げられることは重要であり、これによ
ってCdS層14によって保護されているので、TCO
層18がいかなる悪影響もこの短い加熱段階の過程で受
けない。この時間中、CdTe源32は未だ感知出来る
程のCdTeの昇華が起こらない温度に達する。要素3
0の温度が480−520゜C、好ましくは500゜C
に達した時のみ、CdTe源32は、略1分で、CdS
層14への5乃至15μm/分、好ましくは10μm/
分のCdTe蒸着速度が得られるような温度に引き上げ
られ、所望の5乃至10μm厚のCdTe層12が略1
分の短時間で形成され得る。この工程は所望の(フォ
ト)電子特性に有利な温度での開始から起こるCdTe
層12の成長を生ずる。要素30の温度は安価なソーダ
石灰ガラスが基板20の材料として使用され得るように
選択される。反応室34の圧力はCdTe蒸着中略0.
1mbarとなり窒素(またはヘリウム、アルゴンまた
は水素)の流入またはポンプによる排出によって維持さ
れる。
上記で説明した手順によって行なわれ、要素30および
CdTe源32の温度の時間に関する変化がCdS層を
含む要素30が480−520゜C、好ましくは500
゜Cの温度迄、安定した加熱処理(中断が無い)で、例
えば3分で引き上げられることは重要であり、これによ
ってCdS層14によって保護されているので、TCO
層18がいかなる悪影響もこの短い加熱段階の過程で受
けない。この時間中、CdTe源32は未だ感知出来る
程のCdTeの昇華が起こらない温度に達する。要素3
0の温度が480−520゜C、好ましくは500゜C
に達した時のみ、CdTe源32は、略1分で、CdS
層14への5乃至15μm/分、好ましくは10μm/
分のCdTe蒸着速度が得られるような温度に引き上げ
られ、所望の5乃至10μm厚のCdTe層12が略1
分の短時間で形成され得る。この工程は所望の(フォ
ト)電子特性に有利な温度での開始から起こるCdTe
層12の成長を生ずる。要素30の温度は安価なソーダ
石灰ガラスが基板20の材料として使用され得るように
選択される。反応室34の圧力はCdTe蒸着中略0.
1mbarとなり窒素(またはヘリウム、アルゴンまた
は水素)の流入またはポンプによる排出によって維持さ
れる。
【0023】加熱要素22および24の加熱負荷は随意
に手動またはコンピュータ制御によって変化され得る。
図3および図4では各々上記方法によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の電流/電圧特性およ
び波長の関数としての(外部)絶対量子歩どまりが示さ
れている。図3から分かるごとく、製造された太陽電池
の短絡電流密度は22.8mA/cm2 になり、無負荷
電圧は0.750Vおよび占有率は65%となる。上記
本実施例の太陽電池の活性表面は0.388cm2 とな
る。これは(全体で100mW/cm2 、1,5AMを
有する照射に対して)11.0%の効率を与える。
に手動またはコンピュータ制御によって変化され得る。
図3および図4では各々上記方法によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の電流/電圧特性およ
び波長の関数としての(外部)絶対量子歩どまりが示さ
れている。図3から分かるごとく、製造された太陽電池
の短絡電流密度は22.8mA/cm2 になり、無負荷
電圧は0.750Vおよび占有率は65%となる。上記
本実施例の太陽電池の活性表面は0.388cm2 とな
る。これは(全体で100mW/cm2 、1,5AMを
有する照射に対して)11.0%の効率を与える。
【0024】図4による(外部)絶対量子歩どまりはス
ぺクトラム(略820−520nm)の実質的部分に関
して略85%を有する一定値を示す。520nmでの落
下はCdS層14の吸収作用によって引き起こされる。
ぺクトラム(略820−520nm)の実質的部分に関
して略85%を有する一定値を示す。520nmでの落
下はCdS層14の吸収作用によって引き起こされる。
【0025】
【発明の効果】本発明による、それ自体およびそれらの
組み合せによって呈せられる特徴は従って以前から知ら
れた構造の原理を有するpnCdTe/CdS薄膜太陽
電池の安価な大量生産を促進する。安価な基板材料を使
用し得、半導体に関し高蒸着速度の故に高価な基板材料
の高い歩どまりが可能である。以前にしばしば不安定で
あったドーピング過程は著しく改良され合理化される。
加えて、この特徴は高効率に貢献する。大量生産からお
よび高効率から生ずる本発明の特徴は従って太陽電池を
介した代替エネルギ源への重要な過程に貢献する。
組み合せによって呈せられる特徴は従って以前から知ら
れた構造の原理を有するpnCdTe/CdS薄膜太陽
電池の安価な大量生産を促進する。安価な基板材料を使
用し得、半導体に関し高蒸着速度の故に高価な基板材料
の高い歩どまりが可能である。以前にしばしば不安定で
あったドーピング過程は著しく改良され合理化される。
加えて、この特徴は高効率に貢献する。大量生産からお
よび高効率から生ずる本発明の特徴は従って太陽電池を
介した代替エネルギ源への重要な過程に貢献する。
【図1】本発明による方法の好ましい実施例によって製
造されたpnCdTe/CdS薄膜太陽電池の概略図の
断面図である。
造されたpnCdTe/CdS薄膜太陽電池の概略図の
断面図である。
【図2】本発明による方法を実施するに適した装置の概
略図の断面図である。
略図の断面図である。
【図3】図1と共に説明した方法によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の電流/電圧特性を示
す図である。
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の電流/電圧特性を示
す図である。
【図4】図1と共に説明した方法によって製造されたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の波長の関数としての
(外部)絶対量子歩どまりのグラフである。
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の波長の関数としての
(外部)絶対量子歩どまりのグラフである。
1 pnCdTe/CdS薄膜太陽電池 10 導電性金属接点 12 CdTe層 14 CdS層 16 インジウム層 18 TCO層 20 透明基板 22,24 加熱要素 26,28 黒鉛ブロック 30 要素 32 CdTe源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カルルハインツ イェーガー ドイツ連邦共和国 6242 クロンベルク アム オーバーベルク 17番地 (72)発明者 ヒルマル リヒター ドイツ連邦共和国 6000 フランクフル ト アム マイン 60 ハインツ−ヘル ベルト−カリ−シュトラーセ 4ベー (56)参考文献 特開 昭54−159193(JP,A) 特開 平2−3992(JP,A) 特開 昭56−90571(JP,A) 米国特許4650921(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/04 - 31/078
Claims (10)
- 【請求項1】透明で導電性のTCO層(前部接点)とn
ドープされたCdS層が透明な基板に設けられ、その上
にCdTe層が最小距離法に従って不活性無酸素雰囲気
中でデポジションされ導電性の後部接点が設けられたp
nCdTe/CdS薄膜太陽電池の製造方法であって、 窓ガラスの形態の安価な普通のソーダ石灰ガラスよりな
る基板が基板として使用され、該TCO層(18)及び
該CdS層(14)が設けられた該基板(20)がCd
Te層によるコーティング前に略480゜C乃至520
゜Cの間の温度にされ次のCdTeコーティング中維持
され、該CdTeコーティングの後にそれ自体は知られ
ているCdCl 2 焼き戻しが行なわれることを特徴とす
るpnCdTeCdS薄膜太陽電池の製造方法。 - 【請求項2】 該TCO層(18)及び該CdS層(1
4)が設けられた該基板(20)がCdTeコーティン
グ前に略500゜Cの温度にされ、該温度は次のCdT
eコーティング中維持されることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の方法。 - 【請求項3】該TCO層(18)及び該CdS層(1
4)が設けらた該基板(20)の該加熱は略1乃至5分
間以上、好ましくは略3分間以上安定加熱処理でなされ
ることを特徴とする上記の特許請求の範囲第1又は第2
項に記載の方法。 - 【請求項4】該加熱は略3分間なされることを特徴とす
る特許請求の範囲第3項記載の方法。 - 【請求項5】該CdTeの該CdS層(14)上の該デ
ポジション率は略5乃至15μm/分に調節されること
を特徴とする上記特許請求の範囲第1乃至第4項のうち
いずれか一項に記載された方法。 - 【請求項6】該CdTe層(12)は略1mmにデポジ
ションされることを特徴とする特許請求の範囲第5項記
載の方法。 - 【請求項7】該CdTeデポジション率は10μm/分
に調節されることを特徴とする特許請求の範囲第5項ま
たは第6項記載の方法。 - 【請求項8】該TCO層(18)および該CdS層(1
4)が設けられた基板(20)および該CdTe源(3
2)の温度の時間的変化は該層(14),(16)およ
び(18)を有する該基板(20)が安定な加熱処理で
480乃至520゜Cの温度に略1乃至5分で至らしめ
られるように制御され、該時間中に、用いられた該Cd
Te源(32)が依然として該CdTeの感知できる程
度の昇華が無い温度に至らしめられ、該二つの層を有す
る該基板の温度が480乃至520゜C間の所望の温度
に達した時のみ、該CdTe源(32)は略1分で該所
望のCdTe層(12)が略1分間で形成されうるよう
に該CdS層(14)に対するデポジション率が得られ
る温度にされることを特徴とする上記の特許請求の範囲
第1項乃至第7項のうちいずれか一項に記載の方法。 - 【請求項9】 インジウムが該CdS層(14)のnド
ーピングに使用され該CdS層(14)のデポジション
の前に0.5nm以下の厚さの極く薄いインジウム層
(16)が該TCO層(18)に印加され、該層(1
6)および(14)は該インジウム層(16)が該イン
ジウム原子の該CdS層(14)への拡散によって溶解
され該完成した太陽電池(1)におけるようにもはや同
一視することができなくなるように該CdTe層(1
2)の該デポジションで混合され、該CdS層(14)
は該太陽電池(1)を完成した後に該インジウム層(1
6)の該インジウム原子をnドーピングとして拡散され
た形態で含むことを特徴とする請求項1乃至8のいずれ
か一項に記載の方法。 - 【請求項10】 窓ガラスの形態の安価な普通のソーダ
石灰ガラスよりなる基板が基板として使用され、該TC
O層(18)及び該CdS層(14)が設けられた該基
板(20)がCdTe層によるコーティング前に略48
0゜C乃至520゜Cの間の温度にされ次のCdTeコ
ーティング中維持され、CdTeのCdS層(14)へ
のデポジション速度は略5乃至15μm/分に調節され
ることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記
載の方法。
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